基于梯度提升樹的河南小麥成本收益分析

溫 建，曾一鳴，夏楓苒，汪松玉，雷麗娟

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與管理科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450046）

0 引言

國以民為本，民以食為天。糧食既是關(guān)系國計(jì)民生和國家經(jīng)濟(jì)安全的重要戰(zhàn)略物資，也是人民群眾最基本的生活資料。小麥?zhǔn)俏覈钪匾募Z食作物［1-2］。於思益［3］于2019年在《基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的中美小麥生產(chǎn)比較分析》一文中提出，中美小麥生產(chǎn)能力存在較大差異，主要體現(xiàn)在：自2008年以后美國小麥年產(chǎn)量始終沒有突破6800萬t，這是由于美國國內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整，在其小麥種植面積下調(diào)后，我國小麥的年產(chǎn)量和單產(chǎn)水平開始均高于美國。比較分析中美小麥生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效益差異顯示，我國小麥生產(chǎn)投入中的人工成本占比和土地成本占比在逐漸擴(kuò)大，而美國小麥生產(chǎn)投入中的這2項(xiàng)占比在逐漸縮小。我國小麥生產(chǎn)的現(xiàn)代化進(jìn)程緩慢，高產(chǎn)背后蘊(yùn)藏著一定風(fēng)險(xiǎn)。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，我國已經(jīng)成為世界上最大的小麥生產(chǎn)國、消費(fèi)國。雖然小麥的產(chǎn)值與現(xiàn)金收益保持增長, 但凈利潤與成本利潤率呈下降趨勢, 總成本的增長速度快于總收益的增長速度［4］。而新冠疫情的暴發(fā)對(duì)全世界糧食安全的威脅巨大，小麥產(chǎn)業(yè)也受到了較大沖擊，部分地區(qū)農(nóng)戶種糧收益大幅減少［5］。

21世紀(jì)以來我國經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，我國耕地面積日趨緊張。為了提高作物產(chǎn)量，農(nóng)民逐漸加大了生產(chǎn)要素投入以求提高作物產(chǎn)出，這不僅降低了作物產(chǎn)出和經(jīng)濟(jì)效益，也損害了土地的質(zhì)量，影響了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。張浩［6］于2021年在《關(guān)于中國小麥生產(chǎn)成本現(xiàn)狀分析與展望》中提到，當(dāng)前我國小麥生產(chǎn)成本居高不下，主要體現(xiàn)在種子、化肥、農(nóng)藥、灌溉用水、機(jī)械作業(yè)、人工、土地成本這7個(gè)方面。近幾年我國小麥成本收益比較優(yōu)勢越來越低，且隨著小麥占耕地比例和小麥播種面積的下降，小麥總產(chǎn)量也持續(xù)下降。在此背景下，若想提高小麥生產(chǎn)綜合效率，就需要從降低小麥生產(chǎn)成本入手，研究新形勢下小麥生產(chǎn)節(jié)本增效的有效措施。

預(yù)計(jì)到2030年，我國對(duì)糧食的總需求將達(dá)到7.18億t，解決吃飯問題將始終是我國政府面臨的頭等大事［7-9］。河南省地理位置優(yōu)越，常年小麥播種面積為193萬～480萬hm2，約占全國小麥播種面積的1/5。2005年河南小麥總產(chǎn)創(chuàng)歷史新高，首次突破2500萬t，居全國之首，總產(chǎn)量占全國的27%。因此，鞏固和發(fā)展河南小麥這一優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，對(duì)于發(fā)展河南乃至全國經(jīng)濟(jì)、確保糧食安全具有重大意義［10］。

近年來，隨著國家一系列支農(nóng)政策的扶持，大量資金投入到糧食主產(chǎn)區(qū)的糧食生產(chǎn)中，種植小麥給農(nóng)民帶來了實(shí)實(shí)在在的利益。通過對(duì)河南省小麥在2006—2020年的種植面積、產(chǎn)量、區(qū)域優(yōu)勢進(jìn)行了詳細(xì)分析，提出了加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新、提高種植小麥補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)、提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平、轉(zhuǎn)變經(jīng)營方式、推進(jìn)小麥產(chǎn)業(yè)化、發(fā)展多種形式的深加工產(chǎn)業(yè)等對(duì)策。此外，在穩(wěn)定產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，又提出了降低成本，提高小麥單價(jià)，增加農(nóng)民收益的建議，進(jìn)而為河南省小麥生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)［11-17］。梯度提升樹算法是一種基于決策樹的集成算法，在數(shù)據(jù)分析和預(yù)測中的效果很好，在傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)算法里面是對(duì)真實(shí)分布擬合的最好的幾種算法之一，且梯度提升樹算法較支持向量機(jī)模型(SVM)、時(shí)間序列模型(ARIMA)等具有更高的精度［18-22］。近年來，文獻(xiàn)分析法、因子分析法、灰色系統(tǒng)等研究方法被嘗試應(yīng)用在大田作物生產(chǎn)成本收益的分析定量研究中，針對(duì)全國各地小麥生產(chǎn)的研究也有不少［23-31］，但鮮有用梯度提升樹算法(Gradient boosting decision tree，GBDT)對(duì)小麥的成本收益進(jìn)行深入研究。

本研究以河南省小麥成本收益作為研究對(duì)象，運(yùn)用梯度提升樹算法、文獻(xiàn)分析法與多元線性回歸法，通過對(duì)小麥生產(chǎn)中的種子費(fèi)、化肥費(fèi)、農(nóng)家肥費(fèi)、農(nóng)藥費(fèi)、機(jī)械作業(yè)費(fèi)、總直接生產(chǎn)費(fèi)用、土地成本、人工成本、主產(chǎn)品產(chǎn)量、平均出售價(jià)格等指標(biāo)進(jìn)行分析，探索小麥成本收益的變化規(guī)律，用以預(yù)測小麥未來成本收益發(fā)展趨勢，以期為河南省小麥的成本結(jié)構(gòu)投入和產(chǎn)業(yè)優(yōu)化給出建議。

1 數(shù)據(jù)來源以及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源于《中國農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》《河南統(tǒng)計(jì)年鑒》《河南調(diào)查年鑒2021》，并結(jié)合了2006—2020年布瑞克農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)智能終端數(shù)據(jù)中的小麥成本收益數(shù)據(jù)。

1.2 梯度提升樹算法

梯度提升樹算法為2001年提出的集成學(xué)習(xí)算法，其主要思想是每次建立的新的模型都基于上一個(gè)模型的損失函數(shù)的負(fù)梯度，通過多個(gè)弱學(xué)習(xí)器合成一個(gè)強(qiáng)學(xué)習(xí)器。其以CART作為基函數(shù)，采用加法模型和前向分步算法的一種梯度提升方法。

2 河南省小麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 小麥種植面積及產(chǎn)量分析

由表1可知，河南省小麥的播種面積和產(chǎn)量均呈增長趨勢，與2009相比，2019年河南小麥播種面積提升了8.42%，產(chǎn)量提升了22.44%。2009—2019年河南省小麥平均播種面積占全國小麥總播種面積的23%，平均產(chǎn)量占全國的27%。河南省小麥產(chǎn)業(yè)對(duì)我國農(nóng)業(yè)發(fā)展和維持國民糧食穩(wěn)定具有重要作用。

表1 2009—2019年小麥種植面積及產(chǎn)量分析

2.2 小麥成本收益因素分析

小麥的平均售價(jià)總體呈增長趨勢，2006—2011年平穩(wěn)上升，在2014年達(dá)到最高2316.40元/t后，又略微下降，然后保持穩(wěn)定。2012—2020年多次凈利潤為負(fù)值，究其原因一方面因極端天氣及生產(chǎn)措施不到位，河南省小麥產(chǎn)量不穩(wěn)定，導(dǎo)致收益情況不甚樂觀；另一方面因小麥儲(chǔ)存量過多，品質(zhì)欠佳，以及其他代替品出現(xiàn)導(dǎo)致小麥需求量下降，從而影響了小麥?zhǔn)找妗Ｏ噍^于2006年，2020年小麥平均售價(jià)提高了51.69%，總成本提高了188.12%，總產(chǎn)值提高了73.62%，凈利潤下降了3965.7 元/hm2。小麥生產(chǎn)成本的增長速度明顯高于小麥平均售價(jià)的，這導(dǎo)致了小麥生產(chǎn)的凈利潤大幅下降，因此降低小麥生產(chǎn)成本迫在眉睫。

表2 2006—2020年河南省小麥成本收益情況

2.3 小麥直接生產(chǎn)費(fèi)用分析

小麥成本分析主要包括人工成本、土地成本、化肥費(fèi)用、其他物質(zhì)服務(wù)費(fèi)用4部分。其中人工成本又分為雇工費(fèi)用、家庭用工折價(jià)，土地成本包括流轉(zhuǎn)土地租金、自營土地折租，其他物質(zhì)服務(wù)費(fèi)又可分為直接生產(chǎn)費(fèi)用和間接生產(chǎn)費(fèi)用，其中直接生長費(fèi)用包括種子費(fèi)、化肥費(fèi)、農(nóng)家肥費(fèi)、農(nóng)藥費(fèi)、機(jī)械作業(yè)費(fèi)、排灌費(fèi)、工具材料費(fèi)、其他費(fèi)用。

從整體上來看，2006—2020年小麥直接生產(chǎn)費(fèi)用總體呈上升趨勢，只有2010、2014、2015年有些許回落，后又穩(wěn)定上升。2020年小麥直接生產(chǎn)費(fèi)用較2006年提高了112.53%，低于小麥生產(chǎn)總成本的增幅188.12%。

由表3可知，2006—2020年小麥直接生產(chǎn)費(fèi)用中的各項(xiàng)指標(biāo)均有大幅度的增長。其中，農(nóng)家肥費(fèi)由2006年的70.35元/hm2，增長到2020年的429.60元/hm2，增幅達(dá)510.66%；農(nóng)藥費(fèi)由2006年的129.15元/hm2增長到495.15元/hm2，增幅達(dá)283.39%；種子費(fèi)、排灌費(fèi)的增幅分別為143.35%、118.63%，均高于直接生產(chǎn)費(fèi)用的增長幅度；而化肥費(fèi)、機(jī)械作業(yè)費(fèi)、工具材料費(fèi)的增幅分別為74.51%、101.95%和116.47%，均小于直接生產(chǎn)費(fèi)用的增長幅度。

表3 小麥直接生產(chǎn)費(fèi)用分析 元/hm2

從2011—2012年數(shù)據(jù)可以看出，小麥直接生產(chǎn)費(fèi)用的各項(xiàng)指標(biāo)均較2011年大幅提升，其中種子費(fèi)、化肥費(fèi)、農(nóng)家肥費(fèi)、農(nóng)藥費(fèi)、機(jī)械作業(yè)費(fèi)、工具材料費(fèi)分別增加了20.70%、20.04%、86.99%、28.79%、13.77%、26.12%，排灌費(fèi)減少了28.41%。原因可能是該年河南小麥生產(chǎn)先后受春旱、倒春寒、干熱風(fēng)、強(qiáng)降雨等不利天氣影響，小麥的種植活動(dòng)受阻，種子的存活率降低，不得不加大種子用量，且隨著種子的供求關(guān)系的變化，種子價(jià)格上漲間接造成了種子費(fèi)的增加。人工機(jī)械、播撒農(nóng)藥等生產(chǎn)活動(dòng)的次數(shù)和單次費(fèi)用也隨著不適宜氣候的影響而增加，造成了各項(xiàng)指標(biāo)的上升。因此，特殊氣候條件會(huì)對(duì)小麥直接生產(chǎn)成本產(chǎn)生較大影響。

從2018—2019年數(shù)據(jù)可以看出，小麥的直接生產(chǎn)成本中種子費(fèi)、化肥費(fèi)、農(nóng)家肥費(fèi)、機(jī)械作業(yè)費(fèi)都出現(xiàn)了一定的降低，尤其是其他費(fèi)用由0降低到-5.25 元/hm2，首次出現(xiàn)了負(fù)值。這是由于從氣象條件上來看，在2019年小麥的生長氣候條件利于小麥生長，且 2019年提前開展了病蟲害防治工作，即在小麥種植的過程中的播種、治理病蟲害、機(jī)器作業(yè)等方面的成本均有所下降。

3 基于梯度提升樹回歸模型的實(shí)證分析

梯度提升樹是一種集成學(xué)習(xí)算法，其主要思想是每次建立的新的模型都基于上一個(gè)模型的損失函數(shù)的負(fù)梯度，通過多個(gè)弱學(xué)習(xí)器合成一個(gè)強(qiáng)學(xué)習(xí)器。

3.1 學(xué)習(xí)步驟

輸入訓(xùn)練樣本集S={(x1,y1),(x2,y2),…(xm,ym)}，最大迭代次數(shù)T，損失函數(shù)L。

（2）對(duì)于迭代輪數(shù)t=1,2,…,T，沿著梯度下降的方向迭代，降低殘差值。

①for i=1,2,…,m，計(jì)算負(fù)梯度

②利用(xi, rit)(i=1,2,…,m)，擬合CART回歸樹，其葉子節(jié)點(diǎn)將空間劃分為獨(dú)立區(qū)域。對(duì)于葉子區(qū)域j=1,2,…,J，其中J為葉子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

③對(duì)于葉子區(qū)域j=1,2,…,J，計(jì)算最佳擬合值

④持續(xù)更新強(qiáng)學(xué)習(xí)器

（3）最后得到學(xué)習(xí)器

試驗(yàn)所用數(shù)據(jù)集為河南小麥2006—2020年總直接生產(chǎn)費(fèi)用、土地成本、人工成本、主產(chǎn)品產(chǎn)量、平均出售價(jià)格、凈利潤等。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由圖1、圖2可知，通過小麥產(chǎn)量、平均售價(jià)與凈利潤的關(guān)系熱力圖發(fā)現(xiàn)，各種成本費(fèi)用與凈利潤呈現(xiàn)明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系，主產(chǎn)品產(chǎn)量與凈利潤呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；但由于數(shù)據(jù)量較小，平均出售價(jià)格與凈利潤之間出現(xiàn)了負(fù)相關(guān)關(guān)系?？傊苯由a(chǎn)費(fèi)用、土地成本、人工成本與凈利潤之間均為負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖3）。

圖1 小麥產(chǎn)量、平均售價(jià)與凈利潤的關(guān)系

圖2 小麥生產(chǎn)總直接生產(chǎn)費(fèi)用、土地成本、人工成本與凈利潤的關(guān)系

圖3 小麥生產(chǎn)成本間的相關(guān)性

在梯度提升樹中，樹的數(shù)量越多，模型的誤差會(huì)隨之減小，但如果過多，則會(huì)導(dǎo)致模型的泛化能力減弱，因此在本次建模中，由于數(shù)據(jù)量較小，為了保證模型的泛化能力，需要通過控制學(xué)習(xí)效率(L)和樹深度(D)的組合來提高模型的預(yù)測精度，同時(shí)也要避免模型過擬合。

通過多交叉驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，我們將最大樹深度(D)確定為1，學(xué)習(xí)效率設(shè)置為0.8，使用Huber損失函數(shù)，最終得到梯度提升樹回歸模型，并得到模型在樣本數(shù)據(jù)集上的擬合情況（圖4）。

圖4 2006—2020年河南省小麥生產(chǎn)梯度提升樹擬合圖像

在梯度提升樹回歸模型中，各個(gè)影響因素在模型中所占的重要程度見圖5，其中人工成本占主要地位，影響力高達(dá)50%以上。

由表4可知，通過對(duì)比分析真實(shí)值與預(yù)測值的各項(xiàng)誤差指標(biāo)，部分?jǐn)?shù)據(jù)預(yù)測結(jié)果雖有偏差，但總體偏差不大，其預(yù)測結(jié)果相對(duì)較好，表明基于GBDT的小麥凈利潤預(yù)測的可靠性與可行性較高。

表4 模型誤差

4 結(jié)論與建議

通過研究可知：（1）2009—2019年的河南省小麥平均種植面積約占全國的23%，平均產(chǎn)量約占全國的27%。（2）通過對(duì)小麥生產(chǎn)過程中的總成本、總產(chǎn)值、凈利潤、成本利潤率以及平均售價(jià)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，2016—2020年小麥的凈利潤情況不容樂觀，大部分為負(fù)值。（3）氣候不適、病蟲害等自然原因大幅增加了小麥的生產(chǎn)成本。（4）梯度提升樹模型的結(jié)果顯示，在影響小麥生產(chǎn)成本的因子中，人工成本占比最大。本研究在運(yùn)用梯度提升樹模型時(shí)，數(shù)據(jù)量較小，為得到更小的誤差結(jié)果，后續(xù)應(yīng)該增加數(shù)據(jù)量?；诒狙芯康慕Y(jié)果，結(jié)合國家糧食安全與現(xiàn)行國家糧食政策，提出了降低河南省小麥生產(chǎn)成本和提高其經(jīng)濟(jì)效益的建議和對(duì)策，以期指導(dǎo)河南的小麥生產(chǎn)開辟更大的發(fā)展空間。

（1）采用規(guī)?；N植，提高土地效率，改善生產(chǎn)技術(shù)。小麥生產(chǎn)過程中人工成本增加和肥料投入較高是導(dǎo)致小麥成本增長的重要原因。究其根本在于，種植戶在生產(chǎn)上不合理地使用肥料、農(nóng)藥等化學(xué)品用以提高產(chǎn)量，導(dǎo)致肥效下降，地力減退。通過規(guī)?；N植和施用農(nóng)家肥來配肥地力、提高小麥產(chǎn)量品質(zhì)，并降低生產(chǎn)成本，以達(dá)到小麥生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)品品質(zhì)、種植效益的全面突破。

（2）政府及相關(guān)部門應(yīng)加大對(duì)小麥生產(chǎn)的支持力度。糧食是公共性和基礎(chǔ)性的食品，政府應(yīng)該在保證各項(xiàng)政策持續(xù)支持的基礎(chǔ)上，出臺(tái)更多政策來促進(jìn)小麥生產(chǎn)收益。如進(jìn)一步增加小麥優(yōu)質(zhì)良種補(bǔ)助、糧油直補(bǔ)、農(nóng)資綜合直補(bǔ)等相關(guān)政策性收入在農(nóng)戶小麥的生產(chǎn)現(xiàn)金利潤中的比例；加大當(dāng)?shù)卣畬?duì)大中型商品糧生產(chǎn)基地建設(shè)、優(yōu)質(zhì)糧油產(chǎn)業(yè)推動(dòng)、大中型農(nóng)村灌區(qū)的節(jié)水改造、農(nóng)村綜合發(fā)展和土壤整治工程等的扶持力度，爭取做到災(zāi)年穩(wěn)產(chǎn)，豐年增產(chǎn)增收；進(jìn)一步強(qiáng)化、優(yōu)化市場經(jīng)濟(jì)監(jiān)測體系，嚴(yán)格調(diào)控農(nóng)戶小麥品種及其生產(chǎn)資料價(jià)格，落實(shí)小麥最低價(jià)收購政策。